麻省理工副教授赵选贺带领的研究团队“机械载荷测试”的意外收获

人类附着在骨骼上的肌肉——骨骼肌是一种很独特的组织，它们结实、柔软、富含水分、并极具抗疲劳能力。因此，科学家一直想发明能够兼具这些特征的人造材料。

近日，麻省理工学院（MIT）机械工程副教授赵选贺带领的研究团队，发明了一种合成水凝胶，成功复制了这些特征。他们使用的是医疗领域十分常见的聚乙烯醇（PVA）水凝胶，只不过对其进行了特殊的“机械训练”，就像人类在健身房锻炼一样。这些可以被 3D 打印成不同形状的水凝胶在经过“健身”训练之后，其内部纳米纤维的排列形式会发生改变，不仅不会丢失原有的柔韧性，还能提高抗疲劳程度，承受数千次重复拉伸也不会断裂。

未来，这种材料有望用于制造心脏瓣膜和关节软骨等医用植入物，还可以应用于软体机器人等工程领域。该研究以论文的形式发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。

“机械载荷测试”的意外收获

肌肉和心脏瓣膜是优秀的天然承重组织，兼具惊人的韧性和柔软度。材料科学家一直想要设计能够与之媲美的人造材料，从而发明更优秀的人体组织替代物，但这一过程非常具有挑战性。

人体的大部分组织含水量都在 70%左右，因此人体植入物必须也要保证一定的含水量。

在众多材料中，水凝胶因其优异的吸水性和柔软性而被给予厚望。但是普通水凝胶的强度较差，为了增加强度，通常的做法是制造内部纤维排列整齐的水凝胶，可这样又会损失其吸水性和柔韧性，难以两全其美。

图 | 水凝胶形变模拟图（来源：Ji Liu, Shaoting Lin, Sinyue Liu）

不过，赵教授的团队在无意中发现了水凝胶的新特性。

他们原本想用循环机械载荷测试，寻找导致水凝胶分解的疲劳点。现在的主流观点认为，水凝胶会因为循环测试而疲劳，最终断裂。但令人惊讶的是，这次的循环训练让水凝胶变强了，与人体肌肉训练后的强化机制相似。

研究人员解释称，在训练之前，构成水凝胶的纳米纤维是随机排列的，而机械训练改变了它们的排列方式，使其更加有序和整齐——这类似于重复运动后人体肌肉（纤维）的调整方式。

在大约 1000 次循环拉伸之后，水凝胶开始展现出强韧和柔软兼顾的特性，抗疲劳能力也有显著提升，含水量仍然可以保持在 84%左右。在纤维排列的方向上施加拉力，训练后水凝胶的拉伸强度约为训练前的 4.3 倍。一些水凝胶甚至可以承受 3 万次循环测试而不会断裂。

抗疲劳的原因

为了找到独特特性背后的原理，研究团队使用了共聚焦显微镜观察训练后的水凝胶。

他们首先将纳米纤维染色，以便观察，然后在上面横向切开一个小口，观察裂口的传播方式，试图搞清楚纤维将如何变形。

结果显示，裂纹钉扎（crack pinning）现象是导致抗疲劳的原因。

简单来说，就是当裂纹开始扩展时，它需要更多的能量才能逐一穿过排列整齐的纤维，而纤维会展现出钉扎作用，将裂口固定在一定的位置和大小，阻止其进一步扩大。在未经训练的情况下，水凝胶内部的纤维并未整齐排列，因此不需要很大的能量就可以将其拉断。

更厉害的是，“健身”之后的水凝胶打破了经典的 Lake-Thomas 断裂理论。该理论提出了破坏单层无定型聚合物链所需的能量，实验使用的聚乙烯醇水凝胶就是这种类型，而训练之后的水凝胶比理论预测的抗疲劳值高出 10 到 100 倍。

这种兼顾韧性，柔软性，吸水性和抗疲劳性的水凝胶，有望成为新型医疗植入物的制作材料，用来制造人造心脏瓣膜，关节软骨和腰椎等关键人体组织。未来，研究团队将探索更多的 3D 打印模型，拓展水凝胶的应用领域。